Ein Sauerstoffmolekül mit einem Elektron zu viel
Molekularer Sauerstoff nimmt Elektronen am liebsten paarweise auf. Gelegentlich gelangt aber nur ein einzelnes Elektron zu ihm, und aus O2 wird das Superoxid-Radikalanion O2•−. Dieses Teilchen ist das Substrat der Superoxid-Dismutasen — ohne es hätten diese Enzyme nichts zu tun.
Wo Superoxid im Zellalltag auftaucht
Eine bekannte Quelle sind die Mitochondrien: An einigen Komplexen ihrer inneren Membran entweicht ein kleiner Bruchteil der weitergereichten Elektronen direkt auf Sauerstoff. Daneben bilden bestimmte Enzyme Superoxid gezielt, etwa NADPH-Oxidasen in der Zellmembran oder die Xanthinoxidase beim Abbau von Purinen.
Superoxid selbst ist vergleichsweise wenig reaktionsfreudig, kann aber Folgereaktionen anstoßen, bei denen deutlich aggressivere Verbindungen entstehen. Deshalb ist es für die Zelle günstig, wenn es rasch umgewandelt wird, bevor es solche Ketten beginnt.
Warum der spontane Zerfall nicht genügt
Zwei Superoxid-Moleküle können auch ohne Enzym miteinander reagieren. Da beide negativ geladen sind, stoßen sie sich jedoch ab, und die Reaktion verläuft bei neutralem pH-Wert langsam. Ein Enzym, das die beiden Elektronenübergänge nacheinander an einem Metallzentrum abwickelt, umgeht dieses Hindernis.
Der Bauplan der SOD1
SOD1 ist ein Dimer aus zwei identischen Proteinketten. Jede Kette faltet sich zu einem fassartigen Gerüst aus acht Strängen, an dessen Außenseite zwei längere Schleifen die Metallbindungsstellen formen.
| Merkmal | Wert |
|---|---|
| Aufbau | Homodimer, zwei gleiche Untereinheiten |
| Länge je Untereinheit | 153 Aminosäuren |
| Molekulare Masse (Dimer) | rund 32 kDa |
| Metallionen je Untereinheit | 1 Kupferion, 1 Zinkion |
| Liganden des Kupfers | vier Histidin-Reste (His46, His48, His63, His120) |
| Liganden des Zinks | His63, His71, His80 und Asp83 |
| Stabilisierende Brücke | Disulfidbindung zwischen Cys57 und Cys146 |
| Geschwindigkeitskonstante | etwa 2 × 109 M−1s−1 |
Nummerierung der Aminosäuren nach der gebräuchlichen Zählung für menschliche SOD1; Literaturwerte können je nach Messbedingungen leicht abweichen.
Vier Histidine rund um das Kupfer
Das Kupferion sitzt am Boden einer flachen Tasche und wird von den Stickstoffatomen von vier Histidin-Seitenketten gehalten. Diese Anordnung erlaubt es dem Metall, seine Ladung zu ändern, ohne aus dem Protein herausgelöst zu werden.
His63 als gemeinsamer Nachbar
Ein Histidin, His63, ist mit beiden Metallionen gleichzeitig verbunden und bildet eine Brücke zwischen Kupfer und Zink. Das Zinkion ist an der Elektronenübertragung nicht beteiligt; es fixiert die Schleife, auf der die Kupferliganden liegen, und hält das aktive Zentrum auf diese Weise formstabil.
Geladene Wegweiser am Tascheneingang
Am Rand der Tasche liegen positiv geladene Aminosäuren, unter anderem ein Arginin-Rest in direkter Nähe zum Kupfer. Sie erzeugen ein elektrisches Feld, das negativ geladene Superoxid-Moleküle anzieht und in die richtige Richtung lenkt.
Der Reaktionszyklus in zwei Halbschritten
Fachleute bezeichnen den Ablauf als Ping-Pong-Mechanismus: Das Kupfer nimmt ein Elektron auf und gibt es im nächsten Schritt wieder ab. Jeder Halbschritt verarbeitet ein Superoxid-Molekül.
Erster Halbschritt: Cu2+ nimmt ein Elektron auf
Cu2+-SOD + O2•− → Cu+-SOD + O2
Das erste Superoxid-Molekül verliert sein zusätzliches Elektron an das Kupfer und wird zu gewöhnlichem Sauerstoff. Im reduzierten Zustand löst sich die Bindung zu His63, und das Kupferion rückt ein kleines Stück vom Zink ab.
Zweiter Halbschritt: Cu+ gibt das Elektron ab
Cu+-SOD + O2•− + 2 H+ → Cu2+-SOD + H2O2
Ein zweites Superoxid-Molekül übernimmt das Elektron vom Kupfer. Zusammen mit zwei Protonen aus der Umgebung entsteht Wasserstoffperoxid. Das Kupfer ist wieder oxidiert, His63 kehrt in seine Brückenposition zurück, und das Enzym steht für den nächsten Durchgang bereit.
| Schritt | Zustand des Kupfers | Produkt |
|---|---|---|
| Ausgangslage | Cu2+, mit His63 verbrückt | – |
| Erster Halbschritt | Cu+, Brücke gelöst | O2 |
| Zweiter Halbschritt | Cu2+, Brücke erneuert | H2O2 |
Summe beider Halbschritte: 2 O2•− + 2 H+ → O2 + H2O2.
Das entstandene Wasserstoffperoxid ist kein Radikal mehr. Es wird in der Zelle von weiteren Enzymen wie der Katalase zu Wasser und Sauerstoff abgebaut. Die SOD1 bildet damit das erste Glied einer Abfolge, nicht deren Ende.
Wie das Kupfer an seinen Platz gelangt
Kupferionen, die ungebunden in der Zelle umherwandern, könnten selbst unerwünschte Reaktionen mit Wasserstoffperoxid eingehen. Die Zelle hält freies Kupfer deshalb in extrem niedriger Konzentration: Untersuchungen an Hefezellen kamen auf rechnerisch weniger als ein ungebundenes Kupferion pro Zelle.
Aufnahme und Weitergabe von Hand zu Hand
- Im Dünndarm wird Kupfer aus der Nahrung zunächst von der Cu2+- zur Cu+-Form reduziert.
- Das Membranprotein CTR1 schleust Cu+ in die Zellen.
- Im Zellinneren wird das Metall sofort von sogenannten Kupfer-Chaperonen gebunden, kleinen Proteinen mit einer passgenauen Bindungsstelle.
- Für die SOD1 ist ein eigenes Chaperon zuständig: CCS, die Abkürzung für „copper chaperone for superoxide dismutase“.
CCS legt sich an die noch kupferfreie SOD1 an, übergibt das Metall direkt in die Tasche und hilft zugleich dabei, die Disulfidbrücke zwischen Cys57 und Cys146 zu schließen. Erst danach ist das Enzym voll aktiv.
Kupferquellen in der Ernährung, gerundet
Die Beladung der SOD1 setzt voraus, dass Kupfer überhaupt mit der Nahrung aufgenommen wird. Die folgende Tabelle nennt einige Lebensmittel mit nennenswertem Gehalt; sie dient nur der Orientierung.
| Nahrungsmittel | mg Kupfer |
|---|---|
| Kakaopulver, schwach entfettet | ca. 3,8 |
| Cashewkerne | ca. 2,2 |
| Sonnenblumenkerne | ca. 1,8 |
| Linsen, getrocknet | ca. 0,8 |
Der Gehalt schwankt mit Sorte, Anbauort und Verarbeitung. Referenzwert für die tägliche Zufuhr laut Verordnung (EU) Nr. 1169/2011: 1 mg. Die EFSA nennt als angemessene Zufuhr für Erwachsene 1,3 mg (Frauen) und 1,6 mg (Männer) pro Tag.
Was die zugelassene Angabe aussagt
Die Europäische Behörde für Lebensmittelsicherheit hat die Datenlage zu Kupfer und oxidativem Stress bewertet. Die EU-Kommission hat daraufhin folgenden Text in die Liste zulässiger gesundheitsbezogener Angaben aufgenommen:
„Kupfer trägt dazu bei, die Zellen vor oxidativem Stress zu schützen“
Gemäß Verordnung (EU) Nr. 432/2012
Die Angabe darf nur für Lebensmittel verwendet werden, die mindestens eine Kupferquelle im Sinne der Verordnung (EG) Nr. 1924/2006 darstellen. Sie bezieht sich auf Kupfer allein und auf den genannten Zusammenhang — nicht auf andere Stoffe in einem Produkt und nicht auf Themen wie Stimmung, Schlaf oder Körpergewicht.
Die Verbindung zwischen Mechanismus und Wortlaut
In der SOD1 ist Kupfer das Metall, an dem Superoxid umgesetzt wird. Dieser Mechanismus gehört zum wissenschaftlichen Hintergrund der zugelassenen Angabe.
„Kupfer trägt dazu bei, die Zellen vor oxidativem Stress zu schützen“ — Gemäß Verordnung (EU) Nr. 432/2012
Der Wortlaut bleibt unverändert; jede Erweiterung oder Zuspitzung wäre keine zugelassene Angabe mehr.
Leserpost zur Superoxid-Dismutase
Weshalb enthält das Enzym neben Kupfer auch Zink?
Die Aufgaben sind verteilt: Das Kupfer wechselt seine Ladung und tauscht Elektronen mit dem Superoxid aus. Das Zink bleibt in seinem Zustand und sorgt dafür, dass die Proteinschleife um das aktive Zentrum ihre Form behält.
Schwimmt Kupfer in der Zelle frei herum?
Praktisch nicht. Nahezu das gesamte Kupfer im Zellinneren ist an Proteine gebunden — entweder an die Enzyme, in denen es arbeitet, oder an Chaperone, die es dorthin bringen.
Ist Wasserstoffperoxid das letzte Produkt der Kette?
Nein. Wasserstoffperoxid ist das Produkt der SOD1, wird aber anschließend von anderen Enzymen weiter umgesetzt, bis Wasser und Sauerstoff entstehen.
Wie ist der Wert „1 mg“ auf einer Verpackung zu lesen?
Es handelt sich um den Referenzwert, auf den sich Prozentangaben in der Nährwerttabelle beziehen. Er ist eine Rechengröße für die Kennzeichnung von Lebensmitteln und keine persönliche Empfehlung.